刍议煤矿用液压油缸的创新设计

郭葆菁

（山西省同煤集团公司煤峪口矿机电科，山西 大同037041）

0 引言

液压油缸在煤矿中使用比较广泛，并已渐渐成为煤矿业的基础性设备。但是由于液压油缸系统本身的元件以及油液都是在密封的壳体以及管道中，所以不能直接从外部进行观察和排除故障，故一旦发生故障就很不容易进行检查并作出判断，这在一定程度上给煤矿的安全生产带来了困难。另外，从煤矿用液压油缸对密封性的要求来看，在液压油缸的设计中经常会出现一些问题，例如没有根据煤矿的实际情况编制相应的液压油缸负载图，没有根据煤矿工作压力进行设计等。特别是对于液压油缸的密实性，没有严格根据要求进行设计，进而导致液压油缸在工作时经常会出现密实性不良的问题，这对煤矿的安全作业十分不利。

1 液压油缸设计中出现的问题和需注意事项

根据调查，在煤矿中使用的液压油缸有很大一部分都会出现密实性不良的问题，这可能是由于液压油缸密封选型不当造成的。因此，必须尽可能保证油缸的图纸是按照合理的工程状况设计的，然后在设计中严格遵守液压油缸密封性设计的原则，严格按照具体的步骤进行密封性设计。如果液压油缸的端盖处密封圈压得太紧或太松，应及时调整密封圈使之有适当的松紧度，从而保证活塞杆能用手来回平稳地拉动而无泄漏。

在煤矿用液压油缸的设计中经常会遇到缸内有空气侵入的问题，而对此一些设计人员并没有放在心上，这就会使设计出来的液压油缸出现问题。因此，如果有空气侵入油缸内，在设计中就必须增设排气装置或使液压缸以最大行程快速运动，从而强行排出空气。

必须认真考虑液压油缸行程终点处的制动问题和油缸本身的排气问题。液压油缸内如果没有相应的缓冲装置以及排气装置，那么在设计时就要采取相应措施来弥补这些不足，但并不是全部的液压油缸都需要按照这样的方法进行相应的设计，而应根据具体情况而定。

在液压油缸的设计中，应尽最大可能保证设计出来的产品结构简单、紧凑，并且每个零件都具有足够的强度、刚度和耐久性，应尽量保证油缸的活塞杆在受拉时能承受最大负载或在受压状态下具有较好的纵向稳定性。必须尽量避免液压油缸的侧面受到载荷，以消除活塞、活塞杆以及油缸导轨之间的偏斜，从而尽可能使加工装配和维修变得方便。

在设计液压油缸时，定位件须配置在活塞杆端，只能在一端定位，这在一定程度上有助于延长液压油缸的工作寿命。同时，必须保证液压油缸输入力和活塞有用面积及其单方的压差成正比。液压油缸由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置等构成，对于密封装置的设计，必须要保证密封表面的粗糙度适当，且需合理设计与加工密封沟槽，并选择质量优良的密封圈正确装配，在此基础之上，还要尽可能减少冲击与振动。

2 煤矿用液压油缸对密封性的要求

煤矿对液压油缸等设备的安全运行要求很高，因为设备如果不能安全运行就会在很大程度上带来安全隐患，甚至会导致十分严重的后果。因此，对作为煤矿基础性设备的液压油缸的设计也就有了更高的要求，特别是对于液压油缸的密实性，要求则更为严格。在设计中，必须保证液压油缸在100℃、28 MPa的工作环境下具有良好的密实性，并且还要保证液压油缸的密实性不会随着温度与压力的增加而降低。同时，在设计中还要尽可能保证液压油缸所使用的密封材料有较强的耐腐蚀性与耐磨性。最后，在设计中必须保证液压油缸的密封装置与运动构件之间的摩擦尽可能小，这就要求最大程度地保证稳定且较小的摩擦系数。

3 影响密封件使用性能及寿命的因素

在进行液压油缸密实性设计之前，必须充分了解影响密封件使用性能及寿命的因素。一般情况下，这些因素包括：（1）液压油缸表面粗糙度。活塞和活塞杆表面粗糙度一般为0.8；密封安装槽的粗糙度侧面为1.6，底面为0.3。（2）压力。液压缸油压使密封件变形，从而达到密封效果，但这也增加了滑动面的磨损，引起发热，促使系统温升，并进一步增大了滑动阻力，所以在实际设计中必须根据不同的工作压力环境设计合适的液压油缸。（3）温度。因为油液的温度会在很大程度上影响油液的黏度与密封性能，因此一般情况下煤矿用液压油缸的工作温度应稳定在50～85℃。（4）摩擦阻力。密封件与运动件的摩擦阻力是变化的，一般情况下启动时摩擦阻力最大；当达到适当速度时，摩擦副间形成了连续油膜，摩擦阻力下降；摩擦副运动速度过高时，油膜变厚，摩擦阻力反增大。在实际设计中，只有充分了解这些因素，才能利用一些资源来提高液压油缸的密封性。

4 煤矿用液压油缸不同部位密实性设计

4.1 油缸活塞杆的密封设计

液压油缸的活塞杆集密封与摩擦特性于一身，比较理想的活塞杆密封并不存在，因此在液压油缸活塞杆密封设计时选用比较合适的密封材料，采用多元件组合的密封系统能很好地解决密封问题。为了长时间地达到良好的密封效果，在设计时应选用耐磨和抗变形的密封材料，它们即使在较高的压力和温度下也不会出现质量问题。目前，人们大多使用聚氨酯材料和充填型PTFE材料，聚氨酯非常耐磨和耐变形，而PTFE在高温条件下的化学耐受力很强，所以也可优先选用。为了保证活塞杆的密实性，在设计时要注意活塞杆与活塞的同轴度以及密封沟槽的加工尺寸。其次，在安装时要避免液压油缸轴心线与负载运动方向的偏离，必要时使用联轴器、关节轴承或杆端浮动法兰可起到一定的补偿作用。此外，活塞杆在导向套中运动需要一定量的油膜来起到润滑作用，这就会造成油液积成滴进而形成外漏，因此防尘圈内唇边要有防刮油作用，从而把油膜阻挡在防尘圈和主密封间，使油膜既能润滑又不发生外泄。总而言之，在设计中采用多元件组合的密封系统，可以达到液压活塞杆所需的密封条件，但使用多元件密封系统的难点是要把各个密封元件相互调整好，因此在设计中必须要组合好各个密封元件，保证油缸活塞杆的密实性。

4.2 油缸活塞的密封设计

活塞和活塞密封件是液压油缸的重要组成部分，液压油缸活塞密封件可以有效防止液体从缸头流出，因此加强煤矿用液压油缸活塞密封设计就显得非常重要。一般情况下，活塞的密封构成主要包括耐磨环和组合密封环2个部分，其中耐磨环能抑制机械振动，有极好的承压能力和耐磨性，因此在设计中必须精确计算耐磨环的宽度。计算公式如下：

式中，F为液压油缸活塞的最大径向负载（N）；β为安全系数；D为活塞或活塞杆直径（mm）；Pr为最大允许径向载荷（MPa）。

只有精确地计算出耐磨环的宽度，才能进一步保证活塞的密实性。在对液压油缸的组合密封环进行设计时，要根据液压油缸密封性的要求，选择经济型的密封环，因此可选择由特康密封圈和O型圈组合的密封环，这种组合的摩擦阻力非常低，在实际工作中不存在爬行或黏滞现象，并且根据相关试验，它能在压力为80 MPa的环境下保持良好的密封性能。最后，在设计中要注意活塞与液压油缸缸筒之间的间隙，它在很大程度上决定了活塞的密封性能。因此，要根据液压油缸缸筒厚度、系统压力与周围环境来设计活塞与液压油缸缸筒之间的间隙，进而保证活塞的密封性能。

4.3 油缸静密封设计

静密封在液压油缸中所起的作用很大，它是防止液压油缸内油液外泄的又一道防线，因此必须加强对静密封的设计。一般情况下采用O形圈密封，材料选用丁腈橡胶，同时必须为O形圈加上挡圈，这样就可以有效防止O形圈被挤到配合间隙中而损坏。

5 结语

煤矿用液压油缸有效的密实性不仅可保证煤矿作业的正常进行，还能在很大程度上避免很多安全隐患。因此，在液压油缸设计阶段就需要充分考虑各种因素，对液压油缸不同的部位采取不同的密封方式进行设计，从而最大程度地保证液压油缸的密实性。

［1］杨凌峰，李丹.液压油缸活塞的改进设计［J］.矿业快报，2009（18）

［2］刘贤波，宋峰.液压油缸结构的改进［J］.煤矿机械，2010，29（11）